1. 引言
趋化–流体耦合模型起源于Tuval等人 [1] 对枯草芽孢杆菌这样的趋氧型细菌在水滴中集中悬浮的实验观察,他们首次在
上提出如下用来描述氧气驱动的枯草芽孢杆菌在不可压缩流体中游动的趋化–流体耦合模型
(1.1)
这里n、c和
分别表示细菌密度、氧气的浓度和流体速度,标量函数
表示压力,
表示氧气浓度变化引起趋化的敏感度函数,
是重力势函数,正常数
和
分别表示细菌、氧气和流体的扩散系数,而参数
是非负常数且与非线性对流强度有关,通常用
表示Stokes流,
表示Navier-Stokes流。
现回顾模型(1.1)相关的一些研究成果。文献 [2] 在二维全空间中研究了四元Chemotaxis-Navier-Stokes方程的全局经典解,文献 [3] 在具有单向缓变的大初值条件下研究了三维全空间中该模型解的整体适定性。对于
为有界区域的情形,当
的边界光滑时,需要对边界施加一些适当的限制,最常见的一种边界条件是
和
分别满足齐次Neumann-Neumann-Dirichlet边界条件,即
(1.2)
其中
为区域边界处的单位外法向量。在这种条件下,文献 [4] [5] [6] 在对f和
进行一定的结构性假设的情况下证明了模型(1.1)的适定性结果及解的相关性质。文献 [7] 研究了小初值条件下趋化Navier-Stokes方程的全局经典解。随后,文献 [8] 在没有小初值的条件下研究了二维有界区域上模型(1.1)解的整体存在性和稳定性问题。然而目前关于趋化–流体耦合模型在带状区域上解的适定性及相关性质的研究还很有限。文献 [9] [10] 在二维矩形区域和三维平行六面体区域的情形下对Chemotaxis-Navier-Stokes系统进行了数值模拟实验。文献 [11] [12] 在三维无界区域中得到了此模型强解的整体存在性理论。但是在二维带形区域上还没有类似的研究结果。因此,与文献 [11] 不同,本文改进了小初值的条件,在二维带形区域上研究了模型(1.1)解的整体适定性问题。
本文将在
上考虑如下Chemotaxis-Navier-Stokes系统:
(1.3)
其中
,在区域
的上边界
和下边界
上考虑通常的边界条件(1.2),满足如下假设条件:
(1.4)
本文目标是要证明当初值
在稳态
附近作光滑小扰动时方程组(1.3)解的整体存在性。为了简便,取变量变换,令
和
,系统(1.3)可改写为
(1.5)
由于在
上
,而在
上
,故初边值条件满足
(1.6)
其中
。本文的主要结果如下所述:
定理1.1 假设条件(1.4)成立,并且存在一个充分小的常数
使得当
时,方程组(1.5)~(1.6)有唯一强解
满足
,
,
,
,并且存在一个正常数
使得
(1.7)
对任意的
成立。
2. 预备知识
在开始证明之前,我们首先给出本文需要用到的一些重要引理 [13] [14] 。
引理2.1 (Poincaré不等式)设
且
为有界区域,那么
1) 如果
,则有
;
2) 如果
满足局部Lipschitz条件,
,则有
,其中C是依赖于
的常数,
,这里的
表示
的测度。
注:如果
为带形区域,也有类似的结果,具体可参见文献 [14] 。
引理2.2 假设条件(1.4)成立,那么初边值问题(1.3)的解
满足
,
,
,
,和
,
,并且对任意的
,有
,
。
证明:详细证明过程可参见文献 [11] 。
注:在本文中,
,
,
;除特别说明外,
均表示与未知函数和时间无关的一般正常数。
3. 局部存在唯一性
为了证明方程组(1.5)~(1.6)强解的局部存在唯一性,我们首先对其构造一个线性迭代格式如下
(3.1)
以及初边值条件
(3.2)
其中
,
。为了方便,我们记
,
,
.从而,有以下局部存在性定理。
引理3.1 假设定理1.1中的所有条件成立,设
,则存在正常数
使得对于任意的
,
都是适定的,并且满足一致估计
,
(3.3)
此外,
是Banach空间
中的一个Cauchy序列,其对应的极限
满足
, (3.4)
并且
是系统(1.5)~(1.6)在
上的唯一解。
证明:我们将引理3.1的证明分为两步。
第一步:
在
上的一致有界估计。我们将运用数学归纳法来证明。当
时,根据初始假设条件
可知不等式(3.3)成立。假设对于每一个
,不等式(3.3)成立,其中
充分小,然后证明当
时不等式(3.3)仍然成立。为此,我们需要得到
的一些能量估计。
1) (
,
,
)的
估计
在方程(3.1)1的左右两端同时乘以
并在
上分部积分得
根据条件(3.2),运用Hölder不等式、Young不等式、Gagliardo-Nirenberg插值不等式和Sobolev嵌入定理得
从而,有
(3.5)
同样地,运用假设条件
,我们可以得到
,
的
模估计
(3.6)
(3.7)
2) (
,
,
)的
估计
对于
的
模估计,我们取方程(3.1)1与
的
内积,分部积分得
(3.8)
再次利用Hölder不等式、Young不等式、Gagliardo-Nirenberg插值不等式和Poincaré不等式,可得到(3.8)式右端的积分项估计如下
对于第一项有
(3.9)
对于第二项有
(3.10)
对于第三项有
(3.11)
其中
(3.12)
(3.13)
和
(3.14)
将(3.12)式、(3.13)式和(3.14)代入(3.11)式,从而有
(3.15)
将(3.9)式、(3.10)式和(3.15)式代入(3.8)式,整理系数,对适当小的
可得
(3.16)
类似地,得到
,
的
模估计分别为
(3.17)
(3.18)
3) (
,
,
)的
估计
对于
的
模估计,我们先对方程(3.1)1作用
,再将得到的方程两端同乘以
,然后在在
上进行积分得
对上式利用Hölder不等式、Gagliardo-Nirenberg插值不等式和Sobolev嵌入定理,得到
其中
因此,
.
同理,可得
从而有
(3.19)
我们采用与(3.19)式相同的方法,得出
(3.20)
(3.21)
4) 封闭性
综合(3.5)式、(3.16)式和(3.19)式,仔细调整不等式的系数,可以找到一个适当的正常数
使得
(3.22)
综合(3.6)式、(3.17)式和(3.20)式,仔细调整不等式的系数,可以找到一个适当的正常数
使得
(3.23)
综合(3.7)式、(3.18)式和(3.21)式,仔细调整不等式的系数,可以找到一个适当的正常数
使得
(3.24)
再结合(3.22)~(3.24)式并调整系数,然后将所得不等式在0到t上进行积分,可以推导得出
(3.25)
为了处理(3.25)式右端
的
范数,我们将方程(3.1)2重写为
(3.26)
将
作用于方程(3.26),可以推导得出
(3.27)
因此,将(3.27)式代入(3.25)式,可得
(3.28)
运用
在
处的连续性,当
充分小时,由(3.28)式可得
(3.29)
再对任意的
,根据Gronwall不等式我们可以得到
由上述不等式可知,当
和
充分小时,(3.3)式对
成立。
第二步:
的收敛性。
为了证明序列
的收敛性,我们对方程(3.1)分别取
和j,然后对两式作差得
其中初边值条件满足
类似地,运用与证明(3.29)式相同的方法,经过一系列细致的计算,我们可以找到一个正常数
使得
只需
适当小,则存在一个常数
,使得对任意的
,有
(3.30)
因此,
是Banach空间
中的一个Cauchy序列,且
中存在极限函数
满足
最后,用与证明收敛性类似的方法来证明系统(1.5)~(1.6)解的唯一性。故引理3.1证毕。
4. 整体存在性
4.1. 一致先验估计
为了证明定理1.1,我们在本小节中将致力于得到系统(1.5)~(1.6)解的一致先验估计。
引理4.1 假设定理1.1中所有的条件都成立。设系统(1.5)~(1.6)的解
在
上满足
(4.1)
那么对任意的
,都有
成立,并且存在两个正常数
使得对任意的
和
成立
(4.2)
证明:由假设条件(1.4)和极大值原理可知,对任意的
,有
和
成立。为了得到不等式(4.2)的证明,我们将引理4.1的证明过程分为五个步骤。
第一步:S的
估计。
首先,在方程(1.5)1的左右两端同时乘以
并在
上对x进行分部积分得
即
(4.3)
这里我们运用了条件(1.4)、Hölder不等式、Young不等式、Gagliardo-Nirenberg插值不等式和Sobolev嵌入定理。同理,在方程(1.5)2的左右两端同时乘以c并在
上进行分部积分得
(4.4)
最后,在方程(1.5)3的左右两端同时乘以
并在
上进行分部积分,并利用Sobolev嵌入定理和Poincaré不等式得
整理上式可得
(4.5)
选择适当大的正常数
满足
和
,通过适当的调整不等式(4.3)~(4.5)的系数,可以找到一个适当的正常数
使得
(4.6)
第二步:
的
估计。
首先,推导
的
估计。取方程(1.5)1与
的
内积,分部积分得
(4.7)
接下来,需要对等式(4.7)右端的三项逐一进行估计。与(3.8)式的推导过程类似,可以得出
(4.8)
(4.9)
(4.10)
将(4.8)~(4.10)代入(4.7)得
(4.11)
类似地,可以推导出
和
的
估计如下
(4.12)
(4.13)
结合(4.11)~(4.13)式,只需取
适当小,使得
,并且记
,利用假设
,可以得出
(4.14)
第三步:
的
估计。
首先,先对方程(1.5)1作用
,再将得到的方程两端同乘以
,然后在
上进行积分得
(4.15)
接下来,对(4.15)式右端的三个积分项逐一进行估计。与(3.19)式的推导过程类似,可以得到
(4.16)
(4.17)
(4.18)
将(4.16)~(4.18)不等式,代入(4.15)式得
(4.19)
类似地,可以得到
(4.20)
(4.21)
因此,结合(4.19)~(4.21)式,取
适当小,使得
,
并且选择一个适当大的正常数
,记
利用假设
,可以得出
(4.22)
第四步:一致先验估计。
首先,将方程(1.5)2改写为
(4.23)
在方程(4.23)两端同时作用
,利用Hölder不等式、Young不等式和Sobolev嵌入定理计算可以得到
(4.24)
对方程(1.5)2两端先作用
,再与
作
内积,得到
(4.25)
取
适当小,使得
,将不等式(4.14)、(4.24)和(4.25)相加得
(4.26)
将不等式(4.22)、(4.24)和(4.25)相加得
(4.27)
其次,在不等式(4.26)两端同乘
,在不等式(4.27)两端同乘
,将所得不等式与(4.6)式相加,并取
,则存在
,对
有
(4.28)
最后,将不等式(4.28)从0到t积分,可知对
有
(4.29)
其中
,故引理4.1得证。
4.2. 整体存在性
根据引理4.1我们可以知道在空间
上,对于一些
,方程组(1.5)~(1.6)存在局部唯一解
。因此还需证明T能够拓展到
。
首先,取
,其中
和
都是正数,分别由引理3.1和引理4.1确定的。
然后,选取适当小的初值
满足
其中
由引理4.1给出。记方程组(1.5)-(1.6)解的最大存在时间为
再根据引理3.1的局部存在性结论和连续性可得
。若
为有限时间,那么就有
这与引理4.1得到一致先验估计
相矛盾,所以
是无限的时间。因此,引理4.1中的时间T能够拓展到
。最后,对于不等式(1.7)的证明,可以由(4.29)式得到,从而完成了定理1.1的证明。